机械系统的总体方案设计

第十七章 机械系统的总体方案设计

§１7-1 机械总体方案设计

一、机械总体方案设计的目的

机械总体方案设计的目的，就是通过调查研究进行机械产品规划、确定设计任务、明确设计要求和条件，在此基础上寻求问题的解法及原理方案构思，进行功能原理设计，拟定机械功能原理方案，选择机构类型，得出一组可行的机械系统运动方案，为下一步进行详细的结构设计作好原理方案方面的准备，也为最终进行评价、选优、决策提供可行性、先行性等相关技术原理方面详尽的科学依据。

二、机械总体方案设计的内容

机械系统主要由驱动系统、传动系统、执行系统和控制系统所组成。因此，总体方案设

计的主要内容就是围绕这几部分的方案设计。

1）执行系统的方案设计

2）原动机类型的选择和传动系统的方案设计

3）控制系统的方案设计

4）其他辅助系统的设计

§１7-2 机械执行系统的运动方案设计 机械执行系统的方案设计是机械总体方案设计的核心，也是整个机械设计工作的基础。执

行系统方案设计的好坏，对机械能否完成预期

的功能目标，起着决定性的作用。

机械执行系统的方案设计应满足以下基本要求：

1）保证设计时提出的功能目标

2）足够的使用寿命和强度、刚度要求

3）各执行机构应结构合理、配合协调

本节主要讨论执行结构的型式设计与执行系统的协调设计。

一、执行机构的型式设计

执行机构的型式设计即根据机械系统的运动方案

设计要求，针对不同的执行构件运动形式和运动规

律，选择合适的执行机构。

（1）满足执行构件的工艺动作和运动要求。

（2）尽量简化和缩短运动链，选择较简单的机构。

（3）尽量减小机构的尺寸

（4）选择合适的运动副形式

（5）考虑动力源的形式

（6）使执行系统具有良好的传力条件和动力特性

（7）使机械具有调节某些运动参数的能力

（8）保证机构的安全运转

图13-1 直线机构

上图a、b所示分别为精确和近似直线导向机构的简图。由于在同一制造精度条件下前者的实际传动误差约为后者的2-3倍，因此人们宁愿选用后者。

2、执行机构的选型

所谓机构的选型，就是将前人创造发明的数以千计的各种机构，按照运动特性或动作功能进行分类，然后根据设计对象中执行构件所需要的运动特性和动作功能进行搜索、选择、比较和评价，选出执行机构的合适形式。

按照执行构件所需的运动形式和运动变换功能的要求，从各种常用机构中进行选择、分析和比较，满足运动形式的变换和功能的实现，是执行机构选型时首先要考虑的因素。

3、执行机构型式设计实例

试进行1.5t压片机上冲头主加压机构的型式设计。压片机由电动机驱动，上冲头加压动作如图13-2所示，图中h为冲头下移行程，h’为冲头冲压阶段行程。

图13-2 压片机上冲头加压动作示意图

（1）分析上冲头加压工艺过程对主加压机构的要求。经分析，上冲头加压工艺过程加压机构的功能要求可概括为：

1）运动形式变换功能

2）运动方向交替变换功能

3）运动缩小功能

4）运动停歇功能

（2）提出并初选机构方案

二、执行系统的协调设计

为了完成机械系统的预定功能和生产过程，各执行机构不仅要完成各自的执行动作，而且相互之间必须协调一致。

1、执行系统协调设计的原则

（1）满足各执行机构动作先后顺序的要求；

（2）满足各执行机构动作在时间上的同步性要求；（3）满足各执行机构在空间布置上的协调性要求；

（4）满足各执行机构操作上的协同性要求；

（5）各执行机构的动作安排要有利于提高劳动生产率；

（6）各执行机构的布置有利于系统的能量协调和效率的提高。

2、执行系统协调设计的方法

根据生产工艺的不同，机构的运动循环可分为两大类。 （1）可变运动循环

（2）固定运动循环

3、机械运动循环图

机械运动循环图描述了各执行构件运动间相互协调配合关系。在编制机械运动循环图时，必须选取机构中某一主要的执行构件作为参考件，取其有代表性的特征位置为起始位置，作为确定其他执行构件相对于该主要执行构件运动的先后次序和配合关系的基准。机械运动循环图是设计机器的控制系统和进行机器调试的依据。

§１7-3机械传动系统的方案设计和原动机选择 机械传动系统的方案设计是机械系统方案设计中至关重要的一个环节。传动系统方案设计的好坏，在很大程度上决定了所设计机械产品是否先进合理、质高价廉及具有市场竞争力。在完成了执行系统的方案设计和原动机的预选型后，即可根据执行机构所需要的运动和动力条件及原动机的类型和性能参数，进行传动系统的方案设计。

一、传动系统方案设计过程

1） 确定传动系统的总传动比。

2） 选择传动类型。

3） 拟定传动链的布置方案。

4） 分配传动比。

5） 确定各级传动机构的基本参数和主要几何尺寸，计算传动系统的各项运动学和动力学参数，为各级传动装置的结构设计、强度计算和传动 系统方案评价提供依据和指标。

6） 绘制传动系统运动简图。

二、传动类型的选择

1、传动的类型和特点

（1）机械传动

（2）液压、液力传动

（3）气压传动

（4）电气传动

2、传动类型的选择

机械传动类型的选择关系到传动系统的方案设计和工作性能参数。技术经济指标是确定传动方案的主要因素，只有通过对多种传动方案的技术经济指标作细致的综合分析和对比，才能比较合理地选用机构传动的类型。

（1）机械传动类型选择的依据

1）执行系统的性能参数和工况要求。

2）原动机的机械特性和调速性能。

3）对机械传动系统的性能、尺寸、重量和安装布置的要求。

4）工作环境（例如高温、低温、潮湿、粉尘、腐蚀、易燃、防爆等）的要求。

5）制造工艺性和经济性（例如制造和维修费用、使用寿命、传动效率等）的要求。

（2）机械传动系统选择的原则

1）简化传动环节

a.当原动机的功率、转速或运动方式完全符合执行系统的工况和工作要求时，可将原动机的输出轴与执行机构的输入轴用联轴器直接联接。

b.在固定传动比的机械传动系统中，若原动机可调速而执行系统的工作载荷又变化不大，或执行系统有调速要求并与原动机的调速范围相适应，则可采用固定传动比的机械传动装置。

c.当执行系统要求的调速范围较大，或用原动机调速的机械特性不能满足要求时，可采用可调传动比的机械传动装置。

2） 提高机械传动效率

a.对高速、大功率、长期工作的工况，应选用承载能力高、传动平稳、传动效率高的传动类型。

b.对速度较低、中小功率、要求传动比较大的工况，可采用单级蜗杆传动、多级齿轮传动、带-齿轮传动、带-齿轮-链传动等多种方案，并进行分析比较，从中选择综合性能较好的方案。

c.传动比较大时，应优先选用结构 紧凑的蜗杆传动和行星齿轮传动，原动机输出轴和执行机构输入轴平行时，可采用圆柱齿轮传动；中心距较大时，可采用带传动或链传动。

3）确保机械系统安全运转。

三、传动链的方案设计

1、传动机构顺序的合理安排

1）带传动为摩擦传动，承载能力较小，传递相同转矩时，结构尺寸较其他传动形式大。

2）链传动由于瞬时传动比不断变化，致使运动不均匀，有冲击，故不宜用于高速级，应布置在低速级。

3）蜗杆传动的传动比大，传动平稳，效率较低，适用于中、小功率和间歇运转的场合。

4）锥齿轮的加工困难，特别是大模数锥齿轮，因此只在需要改变轴的方向时才采用，且应尽量布置在高速级，并限制其传动比，以减小其直径和模数。

5）斜齿轮传动的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动平稳的场合。

6）开式齿轮传动的工作环境较差，润滑条件不好，磨损较严重，寿命短，应布置在低速级。

2、各级传动比的分配

1）各级传动的传动比都应在各自允许的合理范围内，以保证符合各种传动形式的工作特点并使其结构紧凑。

2）分配各种形式的传动比时，应注意使各传动零件尺寸协调，结构匀称合理，不会造成互相干涉碰撞。

3）当传动链较长、传动功率较大时，应使大多数传动在较高速度下工作，然后在进行较大的减速，使较少数量的传动在低速下工作。

4）对于两级或多级齿轮减速器，传动比的合理分配直接影响减速器外廓尺寸的大小、承载能力能否充分发挥，以及各级传动零件润滑是否方便等。

四、原动机的选择

原动机的选择，主要根据机械系统的工作环境（温度、湿度、粉尘、酸碱等）、工作特点（起动频繁程度、起动载荷大小等），并考虑各种电动机的特点及供应情况等来确定。

§１7-4 机械控制系统简介

机械系统中的控制系统是指采用电气、电子、液压、气动等技术，以传感器件和检测诊断手段对机械的传动系统、执行系统进行自动控制的信息处理系统，它由控制装置和被控对象两部分组成。控制对象通常分为两类。

第一类是以位移、速度、加速度、温度、压力等参数的数值大小为控制对象，并根据表示数量信号的种类分为模拟控制与数字控制。

第二类是以物体的有、无、动、停等逻辑状态为控制对象，成为逻辑控制。逻辑控制可用“0”、“1”两个逻辑控制信号来表示。

§１7-5 机械系统方案评价与决策

一、方案评价与决策的意义

机械系统方案设计的最终目标，是寻求一种

既能实现预期功能要求，又性能优良、价格低廉的设计方案。

由于功能原理、运动规律、形式设计、传动类型的多方案性，机械系统方案设计的过程，就是一个先通过分析、综合，使待选方案数目由少变多，在通过评价、决策，使待选方案数目由多变少，最后获得满意方案的过程。

二、评价指标

机械系统设计方案的优劣，通常应从技术、经济、安全可靠三方面予以评价。但是由于在方案设计阶段还不可能具体涉及到机械的结构和强度设计等细节，因此评价应主要考虑技术方面的因素，即功能和工作性能方面的指标应占有较大的比例。

表13-1列出了机械系统功能和性能的各项评价

指标体系极其具体内容。

三、评价方法

常用的评价方法有经验评价法、数学评价法

和试验评价法三大类。当方案不多、问题不太复杂时，可采用经验评价法，即根据评价者的经验，对方案做粗略的定性评价。数学分析法是使用数学工具进行分析、推导和计算得到定量的评价参数供决策者参考。常用的方法有名次计分法、评分法、技术经济评价法和模糊评价法等。

下面介绍评分法和技术经济评价法 。

1.评分法

评分法根据规定的标准用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价。评分标准一般为5分制和10分制（见表13-2），“理想状态”取为最高分，“不能用”取为0分；当设计方案的具体化程度较低，有些特征尚不清楚时，建议采用5分制评分标准；当设计方案较具体，特征较明显时，建议采用10分评分标准。

对于多评价目标的方案，其总分可按分值相加法、分值连乘法、均值法或加权计分法（有效值法）等方法进行计算（见表13-3）。 总分的高低可综合体现方案的优劣。获得高分的方案为优选方案。表13-3给出的几种方法中，综合考虑各评价目标分值及加权系数的有效值作为方案的评价依据较为合理，应用最多。

加权系数是反映评价目标重要程度的量化系数，又称目标重要性系数。加权系数大，则重要程度高。

2、技术经济评价法

技术经济评价法的特点是，对方案进行评价时不但考虑各评价目标的加权系数，而且所取的技术价和经济价都是相对于理想状态的值，更便于决策时进行判断和选择，也有利于改进方案。其做法是，分别求出被评价方案的技术价和经济价，然后进行综合评价。（1）技术评价

x=∑(Pijgj/Pmax)

j=1

n

式中

Pij各技术评价指标的评分值； ——

——gj各技术评价指标的加权系数；

Pmax最高分值（10分制为10分，5分制为 ——

5分）。

技术价时，x值越大，则技术性能越好。理想方案的技术价为1。在一般情况下，x>0.8，则方案的技术性能很好；x为0.7左右，则方案良好；x